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Tópicos Avançados em Eletrônica II
Aula 1.1
Conversor CC-CC
Prof. João Américo Vilela
Departamento de Engenharia Elétrica
Bibliografia
Tópicos Avançados em Eletrônica II
BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz.
Conversores CC-CC Básicos Não-Isolados.
1ª edição, UFSC, 2001.
BARBI, Ivo. & MARTINS Denizar Cruz.
Introdução ao Estudo dos Conversores CC-CA.
1ª edição, UFSC.
MOHAN Ned; UNDELAND Tore M.; ROBBINS William P. Power
Electronics – Converters, Applications and Design. 2 ed.
New York: John Wiley & Sons, Inc., 1995.
MUHAMMAD, Rashid.
Eletrônica de Potência.
Editora: Makron Books, 1999.
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Conversores CC-CC
O conversor CC-CC é responsável por controlar o fluxo de potência da
fonte E1 para a fonte E2.
- A carga representada por E2 poderia ser um resistor, um motor CC, um
banco de baterias ou outro conversor estático.
E1Conversor
CC-CC E2
I1 I2
Representação simplificado de um conversor CC-CC.
E1 pode ser maior ou menor que a tensão E2 dependendo da topologia de
conversor utilizada.
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Conversores CC-CC
Considerando o conversor ideal, sem perdas, pode-se considerar a
potência de entrada igual a de saída.
E1Conversor
CC-CC E2
I1 I2
Representação simplificado
de um conversor CC-CC.
A relação entre a tensão de entrada e de saída do conversor é denominada
de ganho estático do conversor.
2211 IEIE
1
2
E
EG
Tópicos Avançados em Eletrônica II
Conversores CC-CC
ER
Rc
rE
Ch
Rc
No caso ideal: potência dissipada nula.
Na prática: de 70% a 98%.
t
v, i
p(t) = v(t) i(t)
Vantagens do conversor chaveado sobre o regulador linear
Relação entre tensão média na carga e
razão cíclica.
ss
t
DVVT
tdtv
TV
1
0
00
11
s0 V0 10 VD
R
S
Vs
i i
V 0
+
-
T
tD on
v
Vs
t T
0
t on t off
(t)
V 0
v
Vs
t T
0
t on t off
(t)
V 0
Vs
t T
v 0
t on t off
(t)
V 0
Vs
t T
v 0
t on t off
(t)
V 0
Conversores CC-CC
Tópicos Avançados em Eletrônica II
A chave ideal S fecha e abre periodicamente, com frequência f, e com
razão cíclica igual a D.
a) Determinar as expressões dos valores médio e eficaz da tensão de
carga;
b) Determine o ganho estático desse conversor;
c) Determinar a expressão da potência média transferida ao resistor R;
d) Demostre que a potência dissipada na chave é igual a zero.
e) Se Vs = 100V; R = 20Ω e D = 0,5. Calcule a tensão média, eficaz e
potência no resistor.
R
S
Vs
i i
V 0
+
-
Exercício
Tópicos Avançados em Eletrônica II
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Conversores BUCK
Na figura abaixo a tensão aplicada na saída é Vg ou zero, semelhante a
analise anterior. Assim, a tensão média vs é:
gmedS DVv
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Conversores BUCK
Colocando um filtro LC na saída, temos um sinal contínuo na carga devido
ao capacitor.
gmedSmed DVvv
Se o conversor estiver operando em regime permanente a tensão média no
indutor é zero e a tensão média na carga é igual a tensão vs média.
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Conversores BUCK
As duas posições da chave podem ser obtidas com um interruptor e um
diodo conforme o circuido do conversor Buck apresentado abaixo.
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Modo de Operação do Conversores BUCK
2º) Com o interruptor aberto.
Modo de operação:
1º) Com o interruptor fechado (transferencia direta de energia para a
saída). E-V0
0
-V0
t D T
(1-D) T
vL
iLméd
0 t
iL
EDVTVDVEDT 000 )1(
DT
T
(1-D)T
i
I
t
Lméd
L
I Lmín
I Lmáx
L
TVEDIL
0
tvL
i LL d1
L
TDDEIL
1
c
LfL
DDEI
1
cL fI
EDDL
1
12 Tópicos Avançados em Eletrônica II
Projeto do Indutor do Conversores BUCK
A integral da tensão no indutor
fornece o valor da corrente
Dessa forma a variação da
corrente no período DT será:
Onde: V0 = D.E
c
LfL
DDEI
1
A ondulação máxima ocorre quando D
(1-D) se maximiza, ou seja, com D = 0,5
0 0,25 0,5 0,75 10
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
D
D (1-D)
c
LfL
EI
máx 4
Observação: outros esquemas de acionamento podem ser empregados,
nos quais a frequência se torna variável. Por exemplo, pode-se manter fixo
o tempo de condução do interruptor e variável o tempo em que permanece
aberto.
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Projeto do Indutor do Conversores BUCK
Ondulação de corrente no indutor
considerando a frequência a tensão de
alimentação e o valor do indutor
constante.
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L
E DC Rc
Ch
C
iL
Is
O capacitor é o elemento dual do indutor: tiC
v CC d1
Um capacitor em regime permanente não suporta corrente média.
Portanto: ILméd = Is . Somente a ondulação da corrente iL circula no capacitor.
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Projeto do Capacitor do Conversores BUCK
A tensão no capacitor é a integral da corrente nesse componente.
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C
iL
Is
AreaC
tiC
v CC 1
d1
iLméd
0 t
iL
0
t
iC
Projeto do Capacitor do Conversores BUCK
A corrente que circula pelo capacitor é a parcela da corrente que oscila no
indutor, conforme apresentado na figura abaixo:
ΔiL
No gráfico a área que representa a
corrente positiva no capacitor, produz uma
oscilação de tensão ΔV no capacitor.
Área
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iLméd
0 t
iL
2
T
2
LI
2
hbArea
c
LLC
fC
I
C
TIV
88
cC
L
fV
IC
8
0
t
iC
Projeto do Capacitor do Conversores BUCK
A corrente que circula pelo capacitor é a parcela da corrente que oscila no
indutor, conforme apresentado na figura abaixo:
ΔiL
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8222 TITI
L
L
Estágio de saída
Um problema adicional: a resistência equivalente em série do capacitor
C
iL
Is
Rse
cC
L
fV
IC
8
0
t
iC
Vs
t
vC
0V
L
seI
VR
0
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Projeto do Capacitor do Conversores BUCK
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Um limite importante: limiar de continuidade
DT td
T
DT
T
(1-D) T
I L
I L
I s
Is
ILmín
= 0
Condição
crítica
Modo de
condução
descontínua
18
Conversores BUCK
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Outros parâmetros para o projeto
19
0ChE DIIImédméd
0D I)D1(Iméd
0S IDIef
0D ID1Ief
EVrevS
EVrevD
2
IIII L
0DS máxmáx
0L IIméd
2
III L
0Lmáx
12
III
2
L2
0Lef
Conversores BUCK
Tópicos Avançados em Eletrônica II
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Conversores BUCK - Simulação
O circuito que será simulado é apresentado na figura abaixo.
Dados do circuito:
Vin = 50V; L = 1mH; C = 47uF; Rcarga = 5Ω; D = 0,5.
Frequência de comutação = 20kHz;
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Conversores BUCK - Simulação
A figura abaixo apresenta a forma de onda da corrente no indutor e a
tensão no capacitor e na carga.
0
2
4
6
8
I1
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005
Time (s)
0
5
10
15
20
25
30
Vo
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Atividade
Montar o circuito de simulação apresentado anteriomente e verificar a
influência da variação de alguns parametros:
a) Verificar a influência da razão cíclica no comportamento do conversor.
Simular com razão 0,3 e 0,7;
b) Verificar a influência do valor do indutor no comportamento do
conversor. Simular com indutor de 0,5mH e 2mH;
c) A variação da carga para 2Ω ou 10Ω produz alguma varação na tensão
de saída?
d) A redução do capacitor para 1μH apresenta qual influência sobre o
comportamento do conversor?